Zpět na články

Jsme na cestě k supravodivosti za pokojové teploty

Supravodivost je zvláštním jevem v oblasti pevných látek, který známe už od roku 1911. Jeho podstatou je vymizení elektrického odporu v jistém materiálu, je-li ochlazen pod určitou (kritickou) teplotu. V takovém případě proudí elektrický proud daným materiálem prakticky bez energetických ztrát a v mimořádně vysokém množství. Problém je, že ona kritická teplota je hluboko pod bodem mrazu. A tak se týmy z celého světa snaží objevit způsob, jak supravodivosti dosáhnout za přijatelnějších teplot.

Levitace pomocí supravodivosti Levitace pomocí supravodivosti, zdroj: Profimedia.cz

V praxi by podobné materiály mohly sloužit například k bezztrátovému přenosu velkých elektrických výkonů a ke konstrukci velmi silných elektromagnetů, popřípadě k výrobě velmi citlivých magnetických detektorů. To vše by mohlo mít zásadní význam třeba pro zásadní pokrok v energetice a ve fyzice, dále v oblastech dopravy, medicíny a informatiky.

Kamenem úrazu je však zpravidla velmi nízká teplota, na kterou je třeba příslušný materiál neustále ochlazovat, jinak se supravodivé schopnosti materiálu vytratí. Toto chlazení je však ve většině dosavadních případů velmi nákladné, a supravodivou technologii se proto dnes vyplatí provozovat jen tehdy, pokud jde opravdu jen o výjimečné případy.

Klasické supravodiče I. a II. typu

Prvními případy supravodivých materiálů před zhruba 100 lety byly kovy jako olovo, cín, niob a rtuť. Ty však bylo pro tento účel nutno přivést k teplotě nepříliš vzdálené od absolutní nuly, a proto bylo třeba je chladit velmi drahým kapalným héliem, které kondenzuje do kapalné formy při teplotě cca -269,15 °C.

Většinou tyto kovové materiály ve stavu supravodivosti navíc dokonale vytlačují ven ze svého nitra siločáry magnetického pole (což mimo jiné vysvětluje fakt, že jsou schopny se v magnetickém poli vznášet, levitovat) a naopak, přítomnost dostatečně silného magnetického pole jejich supravodivý stav ničí, podobně jako zvýšení teploty nad teplotu kritickou. Tato tradiční třída materiálů se nazývá "supravodiče I. typu".

Mnohem později, zhruba od 2. poloviny 80. let 20. století, se vědcům začalo dařit vyrábět supravodivé materiály jiného typu, které stačilo zchladit mnohem méně (tj. na citelně vyšší teploty). Takže někdy bylo možno jako chladící médium použít mnohem levnější kapalný dusík, který kondenzuje "již" při teplotě -196,15 °C. Tyto tzv. vysokoteplotní supravodiče II. typu mají většinou charakter smíšených oxidů kovů a jiných prvků a patří do kategorie keramických materiálů.

Dotyčné keramické supravodiče již důsledně ven nevytlačují magnetická pole a zároveň vydrží průnik asi stokrát silnějších magnetických polí, v porovnání se supravodiči I. typu, než se jejich supravodivých stav rozpadne. Nejvyšší dosažené kritické teploty stabilních supravodičů II. typu se přitom v nedávné době pohybovaly kolem -125 až -73 °C. 

Pro běžné používání bychom však potřebovali vyvinout supravodivé materiály, které spolehlivě fungují v okolí bodu mrazu vody, nebo dokonce za pokojových teplot. Pak by je prakticky již nebylo třeba chladit a spektrum jejich možného používání v praxi by se značně rozšířilo.

Kritické teploty se již blíží teplotám v našich pokojích

Během posledních měsíců se dvěma vědeckým týmům povedlo "zvednout" kritické teploty některých supravodičů do oblasti, vzdálené už jen několik desítek stupňů Celsia od "teplotní" oázy, ve které žijeme my, lidé. V obou případech šlo o exotické materiály na bázi lanthanu a v obou případech bylo nutno vzorky vyrobit pomocí obrovských tlaků, srovnatelných s tlaky, které působí v nitru Země.

První tým, vedený Michailem Eremetsem, působí v německém Ústavu Maxe Plancka pro chemii. Zde ohlásili dosažení supravodivosti při teplotě -23 °C. Stejný tým přitom držel dosavadní rekord z roku 2014, kdy šlo o teplotu -70 °C a použitým materiálem byl tehdy sulfan čili sirovodík, přičemž bylo nutno jej stlačit na obrovský tlak 150 gigapascalů. Pro srovnání, tlak v zemském jádře je ještě minimálně dvakrát větší. Tento tlak byl nutný k tomu, aby se rychle vibrující lehký materiál nerozpadl a držel kompaktní strukturu, potřebnou ke vzniku supravodivosti.

Pro nový pokus použil tým Michaila Eremetse jiný zvláštní materiál, tzv. hydrid lanthanu (přesněji řečeno šlo o sloučeninu jednoho atomu lanthanu a deseti atomů vodíku), který vznikl stlačením směsi atomů lanthanu a vodíku na tlak 170 gigapascalů. Tento teplotní skok o téměř 50 stupňů nahoru, z -70 na -23 stupňů Celsia, vzbudil ve vědcích naději, že brzy bude možné zvýšit kritickou teplotu pro vznik supravodivého stavu v nějakém podobném materiálu (např. v hydridu yttria pod tlakem v řádu milionů atmosfér) nad bod mrazu vody.

Nutno říci, že výsledky německého týmu ještě musejí projít nezávislým ověřením v jiných světových laboratořích. Použitý vzorek materiálu byl navíc velmi malý, měřil v průměru několik mikrometrů.

Druhý tým z americké Univerzity George Washingtona ve Washingtonu DC pod vedením Russella J. Hemleyho uskutečnil velmi podobný pokus - použil stejný hydrid lanthanu (s chemickým vzorcem LaH10), udržovaný pod ještě vyšším tlakem, konkrétně 200 gigapascalů, což je zhruba 2 miliony atmosfér.

Supravodivé chování jejich vzorek poté vykázal při teplotě minus 13 stupňů Celsia. Při dalších modifikacích experimentu elektrický odpor ve vzorku údajně vymizel při teplotě o 20 stupňů vyšší, tedy plus 7 stupňů Celsia. Vědci kromě elektrického odporu vzorku sledovali také na teplotě závislou vnitřní strukturu sloučeniny, konkrétně pomocí jejího rentgenového prosvěcování (difrakce) uvnitř synchrotronu v Argonne National Laboratory u Chicaga.

Za cenu obrovských tlaků

Na první pohled se zdá, že zvýšení kritické teploty supravodiče za cenu nutnosti podrobit dotyčný vzorek extrémnímu tlaku v řádu milionů atmosfér (100 gigapascalů je zhruba totéž, co jeden milion atmosfér) není žádná velká výhra. Ve skutečnosti jde zatím pouze o první pokusy tohoto druhu, které jsou velmi důležité z teoretického hlediska.

Právě teoretické analýzy opřené o tyto experimenty ukazují, že u těchto "vysokotlakých případů" nemusí zůstat. Modifikací struktury či chemického složení vzorků bude totiž patrně možné v budoucnosti tyto dnes pro vznik supravodivosti nutné extrémní tlaky snižovat. Budoucnost je v tomto smyslu otevřená. Vysokoteplotní supravodiče by nám pak umožnily např. stavbu železnic pro magnetické vlaky, levitující nad povrchem dráhy, nebo konstrukci termonukleárních reaktorů se silnými elektromagnety, účinné krotícími extrémně horké plazma. Nebo superpočítačů se supravodivými obvody.

diskuze: 0 příspěvků, nových

Zpět na články